CN106301129A - 永磁同步电机速度控制的pid参数自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制技术领域，公开了一种永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节系统及调节方法。本发明具有自适应性，可以根据输入目标转速和反馈转速自动调整PID参数，负载或电机参数发生变化，不需人为进行调节，节省人力物力和时间成本；同时具有算法简单，数据量小，易于工程实现的优点。

Description

永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机速度控制技术领域，涉及一种永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法。

背景技术

永磁同步电机的矢量控制是一种经典的电机控制方法，其中最重要的一步是根据目标转速和反馈转速经过比例(P)、积分(I)、微分(D)控制环节来给出参考q轴电流。传统的控制方法中PID系数Kp，Ki，Kd往往根据试验和工程师的经验给定，而且一经给定就为常数，不再改变。这样带来的问题是，一旦电机的参数有变化，控制策略就有可能无法满足要求，三项参数需重新确定，费时费力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种根据目标转速和反馈转速自动确定PID参数的方法，可以提高转速控制环节的自适应性，节省参数调节所需时间成本及人力物力。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节系统，其包括：输入参数转换模块、自适应PID控制器、q轴电流计算模块和SVPWM电机；输入参数转换模块接收控制器输出的给定目标转速和设置在电机上的速度传感器返回的反馈转速作为输入，整理出自适应PID控制器的三项输入，分别为当前时刻目标转速、目标转速与反馈转速差值和差值的变化率；自适应PID控制器根据三项输入解算出q轴电流的控制输出，计算得到参考q轴电流，进一步运用矢量控制方法控制电机按照给定转速旋转。

本发明还提供了一种永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法，其包括以下步骤：

S1：控制器给出目标转速ω_r(k)，使用速度传感器测得反馈转速ω_y(k)，其中k是当前采样时刻；

S2：计算自适应PID控制器输入I₁(k)、I₂(k)、I₃(k)，I₁(k)—当前时刻目标转速；I₂(k)—当前时刻目标转速与反馈转速差值；I₃(k)—当前时刻差值的变化率；

S3：计算I₁(k)对应的比例系数Kp(k)，I₂(k)对应的积分系数Ki(k)，I₃(k)对应的微分系数Kd(k)；

S4：自适应PID控制器给出控制输出o(k)；

S5：计算输出的q轴电流参考值Iq(k)；

S6：根据步骤S5获得的q轴电流参考值Iq(k)，与电流传感器采集反馈的电流值进行比较，确定电机控制器的控制策略，从而驱动电机按照给定的转速旋转。

其中，所述步骤S2中，控制器输入I₁(k)、I₂(k)、I₃(k)的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)\\ I_2\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_y\left(k\right)\\ I_3\left(k\right)=\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)-\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k-1)-{\mathrm{\ω}}_y(k-1\left)\right)\end{array}\right..$

其中，所述步骤S3中，系数Kp(k)、Ki(k)、Kd(k)及计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Kp\left(k\right)=\frac{a_1\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\\ Ki\left(k\right)=\frac{a_2\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\\ Kd\left(k\right)=\frac{a_3\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\end{array}\right.$

其中a₁(k)、a₂(k)、a₃(k)为权值，互不相等；a₁(k)、a₂(k)、a₃(k)的初始值为预设的[-1,1]之间的数值，其更新过程为：

S31：权值更新，计算下一采样周期的权值a₁(k+1)、a₂(k+1)、a₃(k+1)：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1(k+1)=a_1\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_1\·\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)\·{\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)\\ a_2(k+1)=a_2\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_2\·{\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)}^2\\ a_3(k+1)=a_2\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_3\·\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)\·\[\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)-\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k-1)-{\mathrm{\ω}}_y(k-1\left)\right)\]\end{array}\right.$

其中η₁，η₂，η₃为学习速率，为[0,1]之间的常数。

其中，所述步骤S4中，控制输出o(k)为；

o(k)＝Kp(k)·I₁(k)+Ki(k)·I₂(k)+Kd(k)·I₃(k)。

其中，所述步骤S5中，q轴电流参考值Iq(k)为：

Iq(k+1)＝(1-x)·Iq(k)+x·o(k)

其中，Iq(k)的初始值取0，x为(0，0.1]之间的数值。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法，具有自适应性，可以根据输入目标转速和反馈转速自动调整PID参数，负载或电机参数发生变化，不需人为进行调节，节省人力物力和时间成本；同时具有算法简单，数据量小，易于工程实现的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的控制原理框图；

图2位本发明实施例方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本实施例提供一种永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节系统，包括输入参数转换模块、自适应PID控制器、q轴电流计算模块和SVPWM电机；输入参数转换模块接收控制器输出的给定目标转速和设置在电机上的速度传感器返回的反馈转速作为输入，整理出自适应PID控制器的三项输入，分别为当前时刻目标转速、目标转速与反馈转速差值和差值的变化率；自适应PID控制器根据三项输入解算出q轴电流的控制输出，从而得到参考q轴电流，进一步运用矢量控制方法(SVPWM)控制电机按照给定转速旋转。

参照图2所示，本实施例永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法包括以下步骤：

S1：控制器给出目标转速ω_r(k)，使用速度传感器测得反馈转速ω_y(k)，其中k是当前采样时刻。

S2：计算自适应PID控制器输入I₁(k)、I₂(k)、I₃(k)。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)\\ I_2\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_y\left(k\right)\\ I_3\left(k\right)=\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)-\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k-1)-{\mathrm{\ω}}_y(k-1\left)\right)\end{array}\right.$

其中，I₁(k)—当前时刻目标转速；I₂(k)—当前时刻目标转速与反馈转速差值；I₃(k)—当前时刻差值的变化率。

S3：计算I₁(k)对应的比例系数Kp(k)，I₂(k)对应的积分系数Ki(k)，I₃(k)对应的微分系数Kd(k)。

$\left\{\begin{array}{c}Kp\left(k\right)=\frac{a_1\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\\ Ki\left(k\right)=\frac{a_2\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\\ Kd\left(k\right)=\frac{a_3\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\end{array}\right.$

其中a₁(k)、a₂(k)、a₃(k)为权值，互不相等；a₁(k)、a₂(k)、a₃(k)的初始值为预设的[-1,1]之间的数值，其更新过程为：

S31：权值更新，计算下一采样周期的权值a₁(k+1)、a₂(k+1)、a₃(k+1)：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1(k+1)=a_1\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_1\·\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)\·{\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)\\ a_2(k+1)=a_2\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_2\·{\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)}^2\\ a_3(k+1)=a_2\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_3\·\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)\·\[\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)-\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k-1)-{\mathrm{\ω}}_y(k-1\left)\right)\]\end{array}\right.$

其中η₁，η₂，η₃为学习速率，为[0,1]之间的常数。

S4：自适应PID控制器给出控制输出o(k)。

o(k)＝Kp(k)·I₁(k)+Ki(k)·I₂(k)+Kd(k)·I₃(k)

S5：计算输出的q轴电流参考值Iq(k)：

Iq(k+1)＝(1-x)·Iq(k)+x·o(k)。

其中，Iq(k)的初始值取0，x为(0，0.1]之间的数值。

S6：根据步骤S5获得的q轴电流参考值Iq(k)，与电流传感器采集反馈的电流值进行比较，确定电机控制器的控制策略，从而驱动电机按照给定的转速旋转。

至此一个采样周期的数据处理过程结束，下一个周期根据第6步计算得到的更新后的权值，以及速度采样值，重复1-6步过程，给出更新的q轴参考电流。可以看出，在这种方法中，不需要人为给出PID参数，其值可以根据输出转速自动调节，具有很强的自适应性。

由以上技术方案可以看出，本发明方法具有自适应性，可以根据输入目标转速和反馈转速自动调整PID参数，负载或电机参数发生变化，不需人为进行调节，节省人力物力和时间成本；同时具有算法简单，数据量小，易于工程实现的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节系统，其特征在于，包括：输入参数转换模块、自适应PID控制器、q轴电流计算模块和SVPWM电机；输入参数转换模块接收控制器输出的给定目标转速和设置在电机上的速度传感器返回的反馈转速作为输入，整理出自适应PID控制器的三项输入，分别为当前时刻目标转速、目标转速与反馈转速差值和差值的变化率；自适应PID控制器根据三项输入解算出q轴电流的控制输出，计算得到参考q轴电流，进一步运用矢量控制方法控制电机按照给定转速旋转。

2.一种永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：控制器给出目标转速ω_r(k)，使用速度传感器测得反馈转速ω_y(k)，其中k是当前采样时刻；

S2：计算自适应PID控制器输入I₁(k)、I₂(k)、I₃(k)，I₁(k)—当前时刻目标转速；I₂(k)—当前时刻目标转速与反馈转速差值；I₃(k)—当前时刻差值的变化率；

S3：计算I₁(k)对应的比例系数Kp(k)，I₂(k)对应的积分系数Ki(k)，I₃(k)对应的微分系数Kd(k)；

S4：自适应PID控制器给出控制输出o(k)；

S5：计算输出的q轴电流参考值Iq(k)；

S6：根据步骤S5获得的q轴电流参考值Iq(k)，与电流传感器采集反馈的电流值进行比较，确定电机控制器的控制策略，从而驱动电机按照给定的转速旋转。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法，其特征在于，所述步骤S2中，控制器输入I₁(k)、I₂(k)、I₃(k)的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)\\ I_2\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_y\left(k\right)\\ I_3\left(k\right)=\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)-\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k-1)-{\mathrm{\ω}}_y(k-1\left)\right)\end{array}\right..$

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法，其特征在于，所述步骤S3中，系数Kp(k)、Ki(k)、Kd(k)及计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Kp\left(k\right)=\frac{a_1\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\\ Ki\left(k\right)=\frac{a_2\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\\ Kd\left(k\right)=\frac{a_3\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\left|a_i\left(k\right)\right|}\end{array}\right.$

其中a₁(k)、a₂(k)、a₃(k)为权值，互不相等；a₁(k)、a₂(k)、a₃(k)的初始值为预设的[-1,1]之间的数值，其更新过程为：

S31：权值更新，计算下一采样周期的权值a₁(k+1)、a₂(k+1)、a₃(k+1)：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1(k+1)=a_1\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_1\·\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)\·{\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)\\ a_2(k+1)=a_2\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_2\·{\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)}^2\\ a_3(k+1)=a_2\left(k\right)+{\mathrm{\η}}_3\·\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)\·\[\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k)-{\mathrm{\ω}}_y(k\left)\right)-\left({\mathrm{\ω}}_r\right(k-1)-{\mathrm{\ω}}_y(k-1\left)\right)\]\end{array}\right.$

其中η₁，η₂，η₃为学习速率，为[0,1]之间的常数。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法，其特征在于，所述步骤S4中，控制输出o(k)为；

o(k)＝Kp(k)·I₁(k)+Ki(k)·I₂(k)+Kd(k)·I₃(k)。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机速度控制的PID参数自动调节方法，其特征在于，所述步骤S5中，q轴电流参考值Iq(k)为：

Iq(k+1)＝(1-x)·Iq(k)+x·o(k)

其中，Iq(k)的初始值取0，x为(0，0.1]之间的数值。